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Trabalho sobre redes GPON e Metro Ethernet. Explora conceitos de rede ópticas PON e demonstra estudo de caso de como essas redes associadas a redes Metro Eth pode suprir de maneira mais eficiente as demandas crescentes por transferência de dados e acesso a internet.
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Ezequiel Silva Araujo
Trabalho de conclusão de Curso
Fortaleza 2016
Ezequiel Silva Araujo
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao programa de Graduação em Tecnologia em Telemática, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Tecnólogo em Telemática
Orientador: Professor Carlos Eugênio
Fortaleza 2016
Primeiramente a Deus e meus pais. Tendo a família como a base de apoio para a vida eles foram essenciais para todas às conquistas da minha vida.
Agradeço a minha esposa Lia pelo apoio e dedicação mesmo nas horas mais complicadas da elaboração deste trabalho. Aos meus irmãos Emanoel Araújo e Emanoela Araújo por tudo que representam como minha família.
Ao professor Carlos Eugênio pelo esforço e dedicação em me orientar e conduzir em conjunto as pesquisas para conclusão desse trabalho. Ao professor Francisco José por todos pelo apoio e a força dada para que pudéssemos concluir.
Aos amigos que fazem parte do time Embratel Fortaleza que sempre acreditaram no meu trabalho prestado que funcionou como base teórica e prática.
Tabela 1 - Principais características dos padrões de redes PON ........................................................ 26 Tabela 2 - Especificações MEF............................................................................................................. 38 Tabela 3 - Serviços padronizados Carrier Ethernet .............................................................................. 41
O estudo do uso de fibras ópticas evoluiu do conceito básico de modulação de sinais digitais em pulsos de luz utilizando reflexão total, no princípio com uso de laser de baixa potência poucos comprimentos de onda com alto custo, passando por técnicas avançadas como WDM ( Dense Wavelength Division Multiplexing ).
No entanto, para que o uso da fibra óptica fosse viável em aplicações lastmile era necessário a redução de custos. Dessa forma, técnicas como a conectorização mecânica e a fabricação de cabos de baixo custo como os drop’s de 2 fibras foram essenciais para o desenvolvimento do FTTH ( Fiber-to-the-Home) um exemplo de fabricação desse tipo de componente pode ser visualizado em [Furukawa, 2013].
As redes PON ( Passive Optical Network ) representam a evolução de lastmile baseados em fibra óptica atendendo os requisitos básicos de Confidencialidade, Integridade e Disponibilidade (C.I.D) suportando o encapsulamento de protocolos no padrão TDM ( time division multiplex), Ethernet e ATM além da redução de custos de OPEX ( Operational Expenditure) dos ISP's já que a tecnologia baseia-se no compartilhamento de uma única fibra óptica para até 128 clientes em versões mais atuais da tecnologia. [Fitec Inovações Tecnológicas, 2008]
A PON é uma arquitetura ponto multiponto. A ideia central é utilizar elementos passivos ( splitters ) para que uma única fibra possa atender n cliente. Por meio de um processo de reflexão e divisão da potência é possível o atendimento de até 128 clientes por "ramo PON^1 ”. Outro fator que reduz os custos para montagem de redes PON é fato de estarem baseadas no uso de elementos passivos, o custo com amplificadores de potência tornaria a tecnologia inviável para implantação e manutenção.
A figura 1 mostra uma topologia básica de redes PON.
(^1) Ramo PON: São assim chamados os enlaces de fibra óptica conectados a equipamentos no padrão PON para prover conectividades a sites remotos que normalmente atendem aos clientes nessa tecnologia.
Figura 1 - Topologia Básica de redes PON Fonte: Santos, A. F., (2010)..
O elemento central OLT ( Optical Line Terminal ) concentra todos os clientes da rede. No site do cliente há a instalação da ONU ( Optical Network Unit ) ou ONT ( Optical Network Terminal), na rede cabeada de fibra ótica temos somente elementos passivos chamados de splitters que são divisores ópticos. Ao conjunto de cabos e divisores ópticos chamamos ODN ( Optical Distribution Network ).
A evolução das redes backhul, como são chamadas as redes responsáveis pela interligação dos núcleos da rede, ou backbone , e as sub-redes periférica ou redes de acesso, também seguiram no mesmo ritmo acelerados pela mesma necessidade apresentada para as redes de acesso lastmile. Afinal, não adiantaria a evolução de redes de acesso sem que houvesse tecnologia compatível para transmissão de dados em áreas metropolitanas ou de longas distâncias
Nessa área as evoluções do protocolo Ethernet também associados ao desenvolvimento de meios em fibra óptica contribuiu significativamente para aumento de taxas de transmissão e desenvolvimentos de tecnologias como a Carrier Ethernet.
Abaixo a descrição de cada um dos componentes existentes em uma rede PON.
ODN: Rede de distribuição óptica ( Optical Distribution Network ). Composta pelo conjunto de cabos, caixas de emenda e splitters. Trata-se do meio físico e os componentes inerentes ao mesmo necessários para funcionamento de uma rede óptica no padrão PON.
OLT: Terminal de linha óptico ( Optical Line Terminal ). A OLT, está localizada na central da operadora de serviços ou ISP e possui conexão com a rede metropolitana de serviços metro ethernet. A OLT transmite o sinal óptico que é dividido para os diversos usuários por meio de splitters. [Santos, A. F., 2010]
Na figura 2 temos a representação real de um modelo de OLT GPON. Basicamente, uma OLT é um switch com funções especiais destinadas ao encapsulamento de pacotes utilizando técnicas do padrão PON. Além das portas PON destinadas para conexão de ONU's para atendimento aos clientes, a OLT possui porta no padrão Ethernet, especificamente nos padrões Gigabit Ethernet e Tengigabit Ethernet , para conexões com backbone e redes metropolitanas que utilizam o protocolo Ethernet (redes metro ethernet).
Figura 2 - Modelo OLT GPON Fonte: Parks Comunicações digitais, (2014).
ONU ou ONT: Unidade de rede óptica ( Optical Network Unit ) ou terminal de rede óptica ( Optical Network Terminal ). Componente que encontra-se localizado mais próximo da casa do cliente, dependendo da topologia adotada é instalada na casa do cliente (FTTH). É responsável por concentrar todo o tráfego até que o mesmo possa ser transmitido para a OLT. Além disso, quando a OLT envia mensagens em broadcast, as ONU's reconhecem somente as mensagens que são destinadas a ela, veremos com mais detalhes essa funcionalidade no tópico 2.4.2. [Santos, A. F., 2010]
Divisor Passivo ( Splitter ): Este dispositivo está localizado entre a OLT e a ONU (na ODN), sendo o responsável por dividir ou combinar o sinal óptico da fibra. No sentido downstream , o sinal de entrada é dividido e enviado para todas as portas de saída. No sentido upstream, o sinal de todas as ONU’s é combinado e enviado a OLT.
2.1.2 Princípio óptico em redes PON
Imunidade a interferência eletromagnética, menor perda de energia por quilômetro e maior velocidade de transmissão são exemplos de vantagens da fibra sobre o cabo de cobre. Além disso o baixo valor comercial por ser fabricada de sílica. Os estudos com redução de custo com implantação e desenvolvimento de laser com maior capacidade de transmissão tornam a fibra o meio ideal para desenvolvimento das tecnologias de transmissão. [Ribeiro, R., 2008]
Assim como outras tecnologias, a PON baseia-se no uso de meios em fibras ópticas. Em projetos de rede PON é essencial a verificação de parâmetros como, janela de transmissão, atenuação intrínseca do meio (causado por impurezas da fibra óptica), atenuação por emenda óptica, atenuação por conector e no caso de redes PON atenuação por divisor passivo óptico.
Existem três faixas de comprimento de onda que são efetivamente utilizadas para transmissão de dados, pois apresentam menor atenuação da luz, e estão ilustradas na figura 4 como second window, third window e fourth window. Todas as tecnologias baseadas em fibra óptica adotam o comprimento de onda de acordo com essa propriedade física do meio.
No caso das tecnologias PON normalmente são utilizadas as janelas 2 second window e 3 third window.
Como podemos verificar no gráfico os comprimentos de onda na faixa de 1300 nm apresentam atenuação próxima de 1dB por quilômetro. Já os comprimentos de onda em faixas superiores a 1500nm chegam a ter atenuações ainda menores em torno de 0,5dB por quilômetro.
Figura 4 - Link Budget Fonte: Adaptado de Entelco Telecom, (2015).
2.1.3 Encapsulamento de pacotes e o uso de T-CONT’s
Atualmente temos dois padrões de arquitetura PON adotados. O GPON ( Gigabit passive optical Network) , regulamentado pela norma ITU-T (( International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector ) G.984 o EPON ( Ethernet Passive Optical Network ) que por sua vez foi definida pela IEEE 802.3 ah.
As arquiteturas EPON utilizam o protocolo Ethernet para encapsulamento de pacotes. Já as redes GPON utilizam o GTC ( Gpon transmission convergence ) como método de encapsulamento. O GTC suporta quadros ATM , TDM ( time division multiplexing ) e Ethernet. Os quadros Ethernet são encapsulados primeiramente GEM ( Gpon encapsulation method ) que por sua vez é encapsulado no GTC. Já o padrão ATM é encapsulado diretamente no GTC.
Para sistemas GPON banda alcançada em upstream é de 1,25Gbps e no downstream 2,5Gbps já o EPON chega a taxa de 1Gbps tanto no downstream como no upstream.
O padrão Epon tem sido adotado pelas operadoras de rede do sudeste asiático, enquanto o Gpon tem sido escolhido principalmente por operadoras europeias e norte-americanas. A tendência das operadoras brasileiras é adotar o padrão Gpon. [Santos, A. F., 2010].
No padrão GPON o tráfego de upstream (sentido usuário operadora) é classificado em 4 tipos e reunidos conforme classificação em contêineres chamados de T-CONT ( transmission containers ). O T-CONT 1 classifica o tráfego CBR ( constante bit rate ) tráfego de taxa constante; o T-CONT 2 agrupa tráfego do tipo VBR ( variable bit rate) tráfego de taxa variada ; o T-CONT 3 agrupa trafego do tipo rajada; o T-CONT 4 trata tráfegos do tipo best-effort e o T-CONT 5 é uma combinação de tráfego dos outros contêineres. A classificação em contêineres permite aos sistemas GPON o tratamento por definição de prioridade ( COS - class of service ) para transmissão no sentido usuário/ ISP ( upstream ).
Redes passivas ópticas podem ser encontradas em 3 topologias: em barramento, em anel e em árvore. A seguir apresentamos as principais características de cada modelo.
É comum também aplicação de cenários diversificados com junção de mais de um tipo de topologia.
2.2.1 Topologia Barramento
Nesse tipo de topologia são utilizados exclusivamente splitters do tipo 1:2. Com uso desse tipo de componente e com essa taxa de divisão é possível interligar a OLT a várias ONUs por meio de um único segmento de fibra óptica conforme apresentado na figura 5.
Cada divisor passivo possui taxa de divisão 1:2 e cria dois segmentos, um para conexão da ONU e outro para o próximo divisor.
Essa topologia é útil para aplicações FTTC ( fiber to the curb ), na qual segmentos de fibra são instalados nos gabinetes de distribuição, localizados geralmente em armários ou postes, onde estão os divisores e/ou ONU’s, que fazem a conectividade via fibra óptica, cabo coaxial ou sem fio para usuários finais [Santos, A. F., 2010].
As vantagens da topologia em barramento estão associadas a facilidade de implementação e custo reduzido já que topologia usa splitters simples do tipo 1:2.
